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PAGE 6PAGE 7文献综述一、课题在国内外的研究状况及发展趋势 机床振动是不希望产生的。这是由于振动所产生的噪声可能刺激操作工人，引起疲倦，使其工作效率下降；并且它又可能使机床零件过早出现疲劳破坏，从而使零件的安全程度、可靠性和强度下降；机床的振动还会导致被加工工件的表面粗糙度和精度降低，刀具寿命和生产率下降。因此，必须了解机床振动的规律，并尽可能加以限制。随着生产技术的不断发展，对零部件加工质量要求的日益提高，防止和消除机床的振动已成为迫切需要解决的问题。当开动机床进行加工时，由于机床各运动部分彼此发生一定规律的相对运动，因而其摩擦表面上必然有摩擦作用着，机床回转部分不平衡等因素必将使回转系统受到离心力的作用，切削过程中刀具切入工件的金属层，将会使整个机床系统受到切削力作用，这些作用力并非保持常值，有的是周期性变化的；有的可能同系统某些元件的刚度轴线有一定的方位关系等，这些力在某些条件下会起一定的激振作用，从而使整个机床系统或其零部件发生各种类型的振动。 机床的加工质量主要是由静态精度和动态特性决定，在机床设计中往往已经确定其工作范围，在机床的使用中若在这个工作范围内达不到所需要的加工精度，往往都是由振动引起的，而静态精度则是可以通过调整机床达到的，动态性能在传统的机床设计方法中很难实现，而在现代设计方法中，即虚拟样机技术则可以通过物理仿真提前对机床性能进行了解。振动对加工的影响主要有：1、工件加工质量下降。2、产生大量噪音。3、加工效率下降。4、振动引起工艺系统承受动态交变载荷，对机床薄弱环节易产生破坏。 为了减小振动带来的种种危害，减小甚至消除振动是很有必要的。主要方法有：1、减少外界振动干扰。2、隔离振源。3、提高机床加工系统的抗振性、增大系统阻尼。4、使用减振器。5、调整振源频率，避免产生共振。 因为还仅限于普通机床研究、对高速或超高速机床的动态特性的研究还罕见报道。超高速机床具有高刚度、高抗振性，比传动机床动态性能高510倍，刚度高50%左右，通常不小于100N/0.001mm的数量级，所以有必要研究超高速机床的动态特性。确定机床结构的振动对加工精度的影响。找出机床的薄弱环节，并从机床结构的动态特性方面，提出一些抑制及改造措施。在超高速机床上进行不同工况条件下的动态特性实验，切削条件下的实验与上面的工艺实验同时进行，主轴转速为1700转/分、9000转/分。实验证明机床的动态性能和各项振动指标为各阶固有频率，各阶振型和阻尼，动刚度及幅频、相频特性。目前，对机床动态的研究主要有试验模态分析法和有限元法。今后的发展趋势是上述两种方法结合起来，利用试验模态分析结果检验补充和修正原始有限元动力学模型，利用修正后的有限元模型计算结构的动力特性的响应，进行结构的优化设计。首先分析各个零部件的结构（如床身、立柱、床头和工作台）在三维软件pro/E中建立CAD模型，分别导入Ansys分析软件中，作模态分析测出固有频率和振型。结合实际结果，找出薄弱零部件，并提出优化方案。仅分析个别零部件，无法全面反映机床整机的性能，因为各零件之间结合部对整机的动态性能影响很大，所以有必要做包括结合部在内的整机动力学分析。近几年已有北京理工大学、东南大学、上海交通大学等少数研究机构用有限元法分析整机动态性能，他们采用的研究方法各不相同，特别体现在结合部的处理上，精度有高有低，难度有易有难。他们尝试了一种新的方法，在pro/E中装配各种零部件的CAD模型，作为导入专门的前后处理软件Hypermesh中划分网格，再导入Ansys中分析，该方法全部在商品化软件平台上进行。它的优点：1、CAD模型从pro/E导入Hypermesh时，可以保证模型完全准确地导入，不需做任何修改。2、结合部直接采用软件中现有单元，可以方便地调整参数。 国外，机床结构的动力学修改和动态优化设计等方面的研究发展很快，普通采用有限元法对机床部件及整体进行动态特性分析，并已用于高速机床的开发和研究中。 西班牙的M、Zatarain用有限元法对立式铣床进行模态分析，采用Nastrain和T-deas两种商用软件，建立包括床身、立柱、头架及它们之间的滚动导轨结合部在内的整机模型，并进行了模态分析，可以通过几种方案的比较，选择其中较合理的结构。 韩国科学技术高级学院Jung Dang Suth和Dai HiuLee用有限元法分析高速机床的主轴外壳的阻尼特性，并用有限元法对高速铣床的滑动结构进行分析，得到一种新型的复合结构，不仅减轻质量，还提高了它的阻尼系数。二、机床振动的产生原因受迫振动是在外激振力扰动下所激发的振动。机床工作时虽在很多情况下会遇到受迫振动，但一般说来，受迫振动只有对精加工的机床，特别是磨床、精密镗床和精密车床等影响较大。至于其他机床，只有当外激振力的频率接近于机床系统或其某一主要部件的固有频率，即有可能发生谐振时，才是较为危险的。产生受迫振动的原因是多种多样的：1、由地基振动引起的机床振动。一般说来，由地基传给机床的振动，使机床的振动频率通常和地基振动的基波频率相同，但也可能以二次、三次谐波，即比基波频率高1倍、2倍的频率而谐振。2、高速回转的机床不平衡部件和工件所引起的振动。当机床的回转运动传动装置工作时，最强烈的受迫振动振源就是不平衡元件高速回转时所产生的激振力。3、机床传动机构的缺陷所引起的振动。制造不精确或安装不良的齿轮会产生周期性的力而传到机床的回转或移动部件上，并在一定条件下可能成为受迫振动的振源。传动链因链运动不均匀性所致的动载荷，约为静载荷的1.72倍。由于链的质量小于齿轮，故引起的受迫振动强烈度比齿轮传动要小些。4、切削过程的间断特性所引起的振动。在许多情况下，加工方法本身导致切削力的周期性变化，这种变化是由于刀齿间断地依次工作而引起的。属于这种振动的有铣刀和拉刀的工作，以及周边磨钝不匀的砂轮的工作等。5、往复运动的机床部件的惯性力所引起的振动。具有往复运动（移动或摆动）部件的机床中最强烈的振源就是部件改变运动方向时所产生的惯性力。形状不同的脉冲的各种频率成分，甚至当它的大小和持续时间相同时，仍然使支承件系统有不同的振动强度。在机床移动部件的运动速度很低的情况下，由于运动速度的微小变化（不均匀）致使部件时而停顿、时而跳跃式地移动，这种现象常称之为“低速爬行”。为了保证移动部件运动的平稳性，对导轨和传动机构的要求是：1、导轨应具有良好的摩擦特性，即其摩擦系数及静、动摩擦系数之差均应较小；2、传动机构的刚性要高。金属切削时产生自激振动的原因，自激振动的产生须通过两个过程：1、内激振力使系统产生振动；2、系统的振动引起内激振力。前者与机床本身结构有关；后者则与切削过程有关。为此，近三十年来各国在机床颤振方面的研究工作集中于切削过程的动态稳定性和机床结构本身的动态特性这两个方面。对于因切削过程的不稳定性引起颤振的问题，目前有两种论点比较成熟。其一认为切削过程中由于存在负阻尼特性而引起初生颤振；其二认为前一次走刀在工作表面产生的振纹，将使第二次走刀的切削深度发生周期性变化，从而产生交变力而加强颤振，这就是通称的“再生颤振原理”。至于从机床结构本身特性来解释机床颤振的成因，起先则有“振型耦合原理”。现在则更进一步，把机床系统和切削过程联系起来，作为一个闭环系统来研究，并运用自动调节原理中的稳定性判据来确定系统得稳定性极限。三、机床的减振在机床上也象所有的机器一样，可能发生三种类型的振动： 第一、自由振动，通常由通过地基传来的冲击所引起，有时也由于往复运动质量的快速换向而产生，如磨床的情况。第二、强迫振动，由机床中周期性的冲击或者不平衡的旋转质量所产生，但也可能是从外界通过地基传来的。第三、自激振动，由机床自身产生，通常是由于切削过程的动态不稳定而引起，或者由导轨上运动部件的动态不稳定（爬行）、或伺服机构的动态不稳定等原因所引起。自由振动和强迫振动虽然有时也很讨厌，但是对它们已经有了充分的认识。为了抑制这类振动，可以采用已在其他工程领域中发展起来的标准方法。例如通过地基传来的振动，无论是引起自由振动还是产生强迫振动都可以采用振动或冲击的隔离装置来消除。隔离装置首先应用在产生扰动的机器中，但如有必要，也可以用在机床中，以便把它与环境隔离开来。由冲击而引起的自由振动，可以采用消除往复运动质量的惯性载荷、加强系统刚性和增加阻尼的办法来避免。强迫振动的效应通常因共振而扩大，因此可以采用“失谐”的办法使之减到最小。如果振动是由于不平衡的旋转质量所引起，那么使之平衡就可达到所希望的效果。最后，振动阻尼器的应用也可以获得良好的效果。对于自由振动和强迫振动可以采用现有的富有成效的办法来解决，但是对于自激振动，尤其对于金属切削过程的动态不稳定所引起的自激振动，即众所周知的“机床颤振”，则不能那样处理。而这种类型的振动对于加工表面光洁度和刀具寿命都不利，以致常常只能以降低金属切除率，也就是降低生产率的办法来消除。改变刀具系统对于结构振动的主振方向的相对方位、采用附加的阻尼或刚性、采用被动与主动阻尼器。增加机床的阻尼或刚性也减小了发生自由振动和强迫振动的可能性。所以解决了自激振动的问题，通常使机床在自由振动或强迫振动方面也得到改善。一般说来，许多弹性振动部件系统都可背简化成单自由度振动系统，其振幅的一般表示为： （11）式中A表示振幅,P是激振力，K是系统刚度，是 固有频率，是激振频率，是阻尼。由此可见，为减少机床振动的振幅，必须做到：减少激振力P增大系统中的刚度K增大系统的阻尼提高系统的固有频率或改变激振频率，以使两者远离在具体的实施上采用许多方法，例如：减小外激振力，变动振动源频率，采用隔振措施，减小机床摩擦力，爬行等。采用抗振刀具，增大系统阻尼，加装减振器等系列减振措施。对于设计来讲，可以通过虚拟样机进行有限元或边界元分析来提前对机床动态性能进行改善。而对于已经制造出来的机床，减振的方法有：采用动态性能好，有减振效果的材料做机床，加阻尼器，而阻尼器的形式有很多，本次实验研究中的钢球就相当于加在机床上的阻尼器。从颤振的观点来看，可用提高机床的品质系数来改善其性能。这些方法可以分为四类：第一、重新安排振动主轴相对于切削力方向和加工表面法线方向的方位。第二、增加在颤振条件下可能成为不稳定的模态的等效静刚度。第三、增加在颤振条件下可能成为不稳定的模态的等效阻尼。第四、采用被动的或主动的吸振器。这四类方法都将使实际响应轨迹的最大负实部减小，其结果使得最大的稳定切削宽度增加。作为一般的规律，机床都应该按照最大刚性与最小重量的原则来设计。这个原则既影响到机床的整体结构的几何形状，也影响到各个零件的几何形状，以及材料的选用。仅就结构来考虑，从提高刚度的观点来看，闭式结构比开式结构要好些。应避免在结构上 开缺口，因为它会大大地降低扭转刚度。如果无法避免开缺口，那么应该适当布置肋板来弥补这些缺口的不利影响。钢板组合结构通常比铸造结构的刚性要好得多，这是因为钢的弹性模量比铸铁高得多。由于绝大部分阻尼发生在结合面间，钢的弹性模量又比较大，因此比铸铁更适合作机床结构的材料。事实上钢板组合结构的阻尼与铸铁结构虽属同一个数量级，但是前者可施加较高的应力和采用间断焊缝，其阻尼还可以提高。被动吸振器的工作纯粹取决于主系统得振动，而不需要附加的能源。其结构简单，工作可靠，而且其初始成本与整个机床相比是微不足道的。主动吸振器取决于附加能源，基本上是一种自适应控制系统。其结构复杂且比较昂贵，因此尚未得到工业实际应用。四、提高工艺系统抗振性的措施当机床发生振动时，“机床-刀具-工件“工艺弹性系统的各个环节，都在不同程度上参于振动过程。显然，提高这些环节的抗振性就在一定程度上提高了整个工艺弹性系统得抗振性。1、提高工件系统的抗振性在工艺系统中，工件系统往往是易于发生振动的薄弱环节，通常可根据具体情况相应地采取下列措施：（1）尽可能在接近加工处夹紧工件，使切削力接近工件夹持处；（2）沿工件全长多夹几点，以减少工件在切削力作用下的变形；(3)车削薄壁管时，管内灌水、油或砂，以提高工件系统的阻尼性能；（4）提高轴类工件顶尖孔的质量；（5）加工细长轴时采用中心架；（6）采用一种能在刀具和工件间实现附加联系的装置，如车床上使用的跟